Kepiye yen ... kita entuk superkonduktor suhu dhuwur? Ikatan pangarep-arep

Jalur transmisi lossless, teknik listrik suhu rendah, superelectromagnets, pungkasane ngompres jutaan derajat plasma ing reaktor termonuklir, rel maglev sing sepi lan cepet. Kita duwe akeh pangarep-arep kanggo superkonduktor ...

Superconduktivitas negara materi saka resistance electrical nul disebut. Iki digayuh ing sawetara bahan ing suhu sing sithik banget. Dheweke nemokake fenomena kuantum iki Kamerling Onnes (1) ing merkuri, ing taun 1911. Fisika klasik gagal njlèntrèhaké. Saliyane resistensi nol, fitur penting liyane saka superkonduktor yaiku push medan magnet metu saka volume sawijiningefek Meissner (ing superkonduktor tipe I) utawa fokus medan magnet dadi "vortices" (ing superkonduktor tipe II).

Umume superkonduktor mung bisa digunakake ing suhu sing cedhak karo nol mutlak. Kacarita 0 Kelvin (-273,15 °C). Gerakan saka atom ing suhu iki meh ora ana. Iki minangka kunci kanggo superkonduktor. Koyo biasane elektron obah ing konduktor tabrakan karo atom kedher liyane, nyebabake mundhut energi lan resistance. Nanging, kita ngerti manawa superkonduktivitas bisa ditindakake ing suhu sing luwih dhuwur. Mboko sithik, kita nemokake bahan sing nuduhake efek iki ing ngisor minus Celsius, lan bubar malah ing plus. Nanging, iki maneh biasane digandhengake karo aplikasi tekanan sing dhuwur banget. Impen paling gedhe yaiku nggawe teknologi iki ing suhu kamar tanpa tekanan gedhe.

Basis fisik kanggo tampilan negara superkonduktivitas yaiku pambentukan pasangan grabber kargo - sing diarani Cooper. Pasangan kasebut bisa muncul minangka asil saka gabungan rong elektron kanthi energi sing padha. Fermi energi, i.e. energi paling cilik kang energi saka sistem fermionik bakal nambah sawise tambahan siji unsur, sanajan energi saka interaksi antarane iku cilik banget. Iki ngganti sifat listrik saka materi, amarga operator tunggal yaiku fermion lan pasangan boson.

gotong royong Mulane, iku sistem loro fermion (contone, elektron) sesambungan karo saben liyane liwat getaran saka kisi kristal, disebut fonon. Fenomena kasebut wis diterangake Leona kerja sama ing taun 1956 lan minangka bagéyan saka téori BCS superkonduktivitas suhu rendah. Fermion sing mbentuk pasangan Cooper duwe setengah muter (sing diarahake ing arah ngelawan), nanging asil spin sistem kebak, yaiku pasangan Cooper minangka boson.

Superkonduktor ing suhu tartamtu sawetara unsur, contone, kadmium, timah, aluminium, iridium, platinum, liyane liwat menyang negara superkonduktivitas mung ing tekanan dhuwur banget (contone, oksigen, fosfor, belerang, germanium, lithium) utawa ing wangun lapisan tipis (tungsten, beryllium, kromium), lan sawetara uga durung superconducting, kayata salaka, tembaga, emas, gas mulia, hidrogen, sanajan emas, salaka lan tembaga kalebu ing antarane konduktor paling apik ing suhu kamar.

"Suhu sing dhuwur" isih mbutuhake suhu sing sithik banget

Ing 1964 taun William A. Cilik nyaranake kamungkinan anané superkonduktivitas suhu dhuwur ing polimer organik. Proposal iki adhedhasar pasangan elektron-mediated exciton minangka lawan pasangan phonon-mediated ing teori BCS. Istilah "superkonduktor suhu dhuwur" wis digunakake kanggo njlèntrèhaké kulawarga anyar saka keramik perovskite sing ditemokake dening Johannes G. Bednorz lan C.A. Müller ing taun 1986, sing nampa Bebungah Nobel. Superkonduktor keramik anyar iki (2) digawe saka tembaga lan oksigen sing dicampur karo unsur liyane kayata lanthanum, barium lan bismut.

2. piring Keramik nglayang liwat wesi sembrani kuat

Saka sudut pandang kita, superkonduktivitas "suhu dhuwur" isih sithik banget. Kanggo tekanan normal, watesan kasebut yaiku -140 ° C, lan uga superkonduktor kasebut diarani "suhu dhuwur". Suhu superkonduktivitas saka -70 ° C kanggo hidrogen sulfida wis tekan ing tekanan dhuwur banget. Nanging, superkonduktor suhu dhuwur mbutuhake nitrogen cair sing relatif murah tinimbang helium cair kanggo pendinginan, sing penting.

Ing tangan liyane, iku biasane Keramik brittle, ora banget praktis kanggo nggunakake ing sistem electrical.

Para ilmuwan isih percaya yen ana pilihan sing luwih apik nunggu ditemokake, materi anyar sing apik banget sing bakal ketemu kritéria kayata superconductivity ing suhu kamarterjangkau lan praktis kanggo nggunakake. Sawetara riset fokus ing tembaga, kristal kompleks sing ngemot lapisan atom tembaga lan oksigen. Riset terus ing sawetara laporan anomali nanging ora bisa diterangake sacara ilmiah manawa grafit sing direndhem banyu bisa tumindak minangka superkonduktor ing suhu kamar.

Taun-taun pungkasan wis dadi aliran "revolusi", "terobosan" lan "bab anyar" ing bidang superkonduktivitas ing suhu sing luwih dhuwur. Ing Oktober 2020, superkonduktivitas ing suhu kamar (ing 15 ° C) kacarita ing karbon disulfida hidrida (3), Nanging, ing dhuwur banget meksa (267 GPa) kui dening laser ijo. Holy Grail, sing bakal dadi bahan sing relatif murah sing bakal dadi superkonduktif ing suhu kamar lan tekanan normal, durung ditemokake.

3. Bahan adhedhasar karbon sing superkonduktif ing 15 ° C.

Dawn of the Magnetic Age

Enumerasi kemungkinan aplikasi superkonduktor suhu dhuwur bisa diwiwiti kanthi elektronik lan teknologi komputer, piranti logika, unsur memori, switch lan sambungan, generator, amplifier, akselerator partikel. Sabanjure ing dhaptar: piranti sing sensitif banget kanggo ngukur medan magnet, voltase utawa arus, magnet kanggo piranti medis MRI, piranti panyimpenan energi Magnetik, sepur peluru levitating, mesin, generator, trafo lan kabel listrik. Kaluwihan utama piranti superconducting ngimpi iki bakal boros daya kurang, operasi kacepetan dhuwur lan sensitivitas nemen.

kanggo superkonduktor. Ana alesan kenapa pembangkit listrik asring dibangun ing cedhak kutha-kutha sing sibuk. Malah 30 persen. digawe dening wong-wong mau energi listrik bisa uga ilang ing saluran transmisi. Iki minangka masalah umum karo peralatan listrik. Umume energi dadi panas. Mulane, bagean pinunjul saka lumahing komputer dilindhungi undhang-undhang kanggo cooling bagean sing bantuan dissipate panas kui dening sirkuit.

Superkonduktor ngatasi masalah mundhut energi kanggo panas. Minangka bagéan saka eksperimen, ilmuwan, contone, ngatur kanggo entuk urip arus listrik ing ring superkonduktor liwat rong taun. Lan iki tanpa energi tambahan.

Siji-sijine alesan arus mandheg amarga ora ana akses menyang helium cair, ora amarga arus ora bisa terus mili. Eksperimen kita ndadekake kita percaya yen arus ing bahan superkonduktor bisa mili nganti atusan ewu taun, yen ora luwih. Arus listrik ing superkonduktor bisa mili selawase, nransfer energi kanthi gratis.

в ora resistance arus gedhe bisa mili liwat kabel superconducting, kang siji kui Magnetik kothak daya luar biasa. Iki bisa digunakake kanggo ngangkat sepur maglev (4), sing bisa tekan kecepatan nganti 600 km / jam lan adhedhasar magnet superkonduktor. Utawa digunakake ing pembangkit listrik, ngganti cara tradisional sing turbin muter ing medan magnet kanggo ngasilake listrik. Magnet superkonduktor sing kuat bisa mbantu ngontrol reaksi fusi. A kabel superconducting bisa tumindak minangka piranti panyimpenan energi becik, tinimbang baterei, lan potensial ing sistem bakal wadi kanggo sewu yuta taun.

Ing komputer kuantum, sampeyan bisa mili searah jarum jam utawa counterclockwise ing superkonduktor. Mesin kapal lan mobil bakal sepuluh kaping luwih cilik tinimbang saiki, lan mesin MRI diagnostik medis sing larang bakal pas ing telapak tangan sampeyan. Diklumpukake saka peternakan ing ara-ara samun sing amba ing saindenging jagad, energi solar bisa disimpen lan ditransfer tanpa mundhut.

4. Sepur maglev Jepang

Miturut ahli fisika lan populerisasi ilmu pengetahuan, Kakuteknologi kayata superkonduktor bakal nggawa ing jaman anyar. Yen kita isih urip ing jaman listrik, superkonduktor ing suhu kamar bakal nggawa jaman magnetisme.